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Two-Phase CFD Simulation of Turbulent Gas-Driven Liquid Film Flows on Heated Walls

Marati, Jagannath Rao :
Two-Phase CFD Simulation of Turbulent Gas-Driven Liquid Film Flows on Heated Walls.
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Two-Phase CFD Simulation of Turbulent Gas-Driven Liquid Film Flows on Heated Walls
Language: English
Abstract:

The emissions of oxides of nitrogen (NOx) released from combustion chambers have been the subject of numerous experimental, theoretical and numerical studies in recent years. These emissions are directly related to the quality of fuel air mixing prior to combustion in gas turbines. Presently, Lean pre-mixed pre-vaporizing (LPP) concept is considered to reduce NOx emissions in gas turbines. Therefore, their reduction relies on a more accurate prediction of transport phenomena and interaction between the liquid fuel with the turbulent gas flow field. In LPP concept, liquid fuel is sprayed onto a hot wall thereby forming a thin film. A high velocity co-current hot compressed gas stream blows over this film. The thin film evaporates, and the vapor mixes in the gas stream to form a combustible mixture. The study of the various mechanisms governing transport phenomena in such flows is an important step towards understanding the pre-mixing and pre-vaporization process. The shear force imposed by the gas flow at the gas-liquid interface causes the formation of interfacial waves, and the velocity and amplitude of the traveling waves increase with the rise in interfacial shear force. Furthermore, increase in the interfacial shear force leads to enhancement in the heat and mass transfer rates. The shear-driven flows are turbulent and characterized by strong fluctuations in the velocities of the two phases (air and liquid fuel). In order to have detailed insight of unsteady two-phase flows and thermodynamic processes, new numerical techniques and specific experiments are essential. The present study focuses on development of numerical model for description of unsteady two-phase flows in an externally heated channel. Within the framework of this dissertation, Computational Fluid Dynamics (CFD) is utilized to elucidate the fundamental mechanisms that govern transport processes in shear-driven liquid film flows on heated walls. The numerical studies are performed in OpenFOAM, an open source CFD code written in the C++ language. The open source code is further modified to perform detailed studies of heat transfer in two-phase flows. To predict the interfacial phenomena of two-phase flow, a Volume of Fluid (VOF) approach with an Eulerian-Eulerian method is adopted. The transport phenomenon in an unsteady two-phase flow behavior is studied in combination with Continuum Surface Force (CSF) model for the surface tension force at the gas-liquid interface. A Low-Reynolds number k-ε turbulence model combined with a near-wall grid adaptation technique is applied to both liquid and gas phases. The simulation results are verified with theoretical and experimental data from literature and also with in-house experimental data. Furthermore, the numerical simulations are performed by applying an artificial disturbance boundary condition at the inlet. The effect of gas and liquid Reynolds numbers on the hydrodynamics and heat transfer in a channel is investigated. Results of the simulation indicate that the inlet flow parameters such as gas and liquid Reynolds numbers on have a significant influence on heat transfer. Parametric analysis is employed to interpret the mechanism of wave dynamics under the influence of gas Reynolds number. The main parameters considered in this research are liquid Reynolds numbers (300≤ReL≤650), gas Reynolds numbers (10000≤ReG≤70000), and wall heat flux at 20 W/cm^2. The flow characteristics and film thickness in two-phase flow are significantly affected by increasing gas velocity. The heat transfer rate is enhanced due to influence of wavy flow with increasing gas and liquid Reynolds numbers. Ultimately, this numerical study helps to explain unsteady two-phase flow behavior under heat load.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Emissionen von aus modernen Gasturbinenbrennkammern austretenden Stickoxiden (NOx) sind Schwerpunkt zahlreicher experimenteller, theoretischer und numerischer Studien der letzten Jahre. Diese Emissionen werden stark durch die Qualität der Gemischbildung von Kraftstoff und Verbrennungsluft am Eintritt in die Brennkammer beeinflusst. Die Verbrennung in Gasturbinenbrennkammern mit vorverdampftem und mager vorgemischtem Kraftstoff (LPP) wird als Möglichkeit betrachtet, die NOx-Emissionen zu reduzieren. Zur Auslegung solcher Brennkammern ist eine genauere Kenntnis der Transportphänomene und der Interaktion zwischen dem flüssigen Kraftstoff und der turbulenten Gasströmung erforderlich. In LPP-Brennkammern wird flüssiger Kraftstoff auf die heiße Brennkammerwand aufgesprüht und formt einen Flüssigkeitsfilm. Die verdichtete Verbrennungsluft strömt mit hoher Geschwindigkeit über diesen Film. Dabei verdampft der Kraftstoff und bildet zusammen mit dem Gasstrom ein brennbares Gemisch. Die Untersuchung der dominierenden Transportphänomene in der Filmströmung kann einen entscheidenden Beitrag zum Verständnis der Vormischung und Vorverdampfung leisten. Die Scherkraft durch die Luftströmung an der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche verursacht die Bildung von Wellen an der Grenzfläche. Darüber hinaus resultiert eine Zunahme der Scherkräfte in einer Verbesserung des Wärme- und Stoffübergangs an der Grenzfläche. Scherkraftgetriebene Strömungen sind hochgradig turbulent und weisen starke Geschwindigkeitsfluktuationen in beiden Phasen auf. Um die komplexen Phänomene in der instationären Zweiphasenströmung verstehen zu können, sind neue numerische Methoden und spezifische Experimente notwendig. Diese Arbeit dokumentiert die numerischen Simulationen zur Entwicklung numerischer Modelle für Zweiphasenströmungen in beheizten Kanälen. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine numerische Strömungssimulation (CFD) verwendet, um die grundlegenden Mechanismen zu untersuchen, die die Transportprozesse in scherkraftgetriebenen Flüssigkeitsströmungen an beheizten Wänden dominieren. Die numerischen Studien werden mit OpenFOAM durchgeführt, einem öffentlich zugänglichen CFD–Code, der in der Programmiersprache C++ geschrieben ist. Der Quellcode wird modifiziert, um detaillierte Studien des Wärmetransportes in Zweiphasenströmungen durchzuführen. Die Volume-of-Fluid Methode mit einem Euler-Euler Ansatz wird verwendet, um die Phänomene an der Phasengrenze von Zweiphasenströmungen vorhersagen zu können. Die Transportvorgänge in instationären Zweiphasenströmungen werden mit Hilfe der Kombination der VOF Methode mit einer kontinuierlichen Modellierung der Oberflächenkraft (CSF) infolge der Oberflächenspannung untersucht. Mehrere Standard-Turbulenzmodelle für zweiphasige Strömungen werden verglichen und ein k-ε Turbulenzmodell für niedrige Reynolds-Zahlen aufgestellt. Das k-ε Modell wird zusammen mit einer adaptiven Gitterverfeinerung in Wandnähe für beide Phasen angewendet. Die Ergebnisse der Simulationen werden mit zahlreichen theoretischen und experimentellen Daten aus der Literatur und hauseigenen experimentellen Daten validiert. Des Weiteren werden die numerischen Simulationen mit einer künstlichen Grenzflächenstörung am Einlass durchgeführt. Der Einfluss der Gas- und Flüssigkeits-Reynolds-Zahl auf die Hydrodynamik und die Wärmeübertragung in einem Kanal werden untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Studien zu den Strömungsparametern am Einlass und den Gas- und Flüssigkeits-Reynolds-Zahlen essentiell sind, um das Strömungsverhalten zu verstehen. Parameterstudien werden durchgeführt, um die Mechanismen der Wellendynamik unter dem Einfluss der Beschleunigung durch die Gasströmung zu untersuchen. Die hauptsächlich untersuchten Parameter in dieser Studie sind die Flüssigkeits-Reynolds-Zahl (300≤ReL≤650), die Gas-Reynolds-Zahl (10000≤ReG≤70000) und die Wärmestromdichte an der Wand im Bereich 20 W/cm^2. Die Charakteristik der Strömung und die Filmdicke in Zweiphasenströmungen werden erheblich durch eine steigende Gasbeschleunigung beeinflusst. Durch das Phänomen der welligen Strömung im Kanal wird der Wärmetransport signifikant gesteigert. Die numerische Studie hilft dabei, das Verhalten der instationären Zweiphasenströmung unter Wärmeeinwirkung zu verstehen, sowie ein grundlegendes Verständnis der Physik und der auf die Gas/Flüssigkeits-Grenzschicht wirkenden Kräfte zu erlangen.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Shear-driven film, transient two-phase flow, three-dimensional, CFD, turbulence and heat transfer
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Energy and Power Plant Technology (EKT)
16 Department of Mechanical Engineering > Institute for Technical Thermodynamics (TTD)
Date Deposited: 16 Feb 2016 07:43
Last Modified: 27 May 2016 08:20
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-53000
Referees: Gambaryan-Roisman, Apl. Prof. Tatiana and Stephan, Prof. Peter and Tropea, Prof. Cameron
Refereed: 4 November 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5300
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